2020 Fiscal Year Research-status Report
Design of Belief Propagation for mmWave Large MIMO Detection with Low-Precision ADCs
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20K14734
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高橋 拓海 大阪大学, 工学研究科, 助教 (40844204)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 大規模MIMO / ミリ波通信 / 確率伝搬法 / 繰り返し信号検出 / 低解像度ADC / 量子化雑音 / デジタルビームフォーミング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
5Gの次の世代、すなわちBeyond 5Gや6Gでは、大量の無線端末から基地局へ (上り回線) の大規模同時接続通信も重要な役割を担う。このような通信形態をサポートする物理層技術として、超多素子アンテナを具備した基地局が多数端末と同時に空間多重接続を確立するミリ波・大規模マルチユーザMIMOがある。その実現のため、基地局の省電力化と低コスト化を目的に、低解像度のADC (Analog-to-Digital Converter) の利用が検討されているが、粗い量子化に起因した信号の非線形歪みは受信信号品質の深刻な劣化を招く。本研究課題では、低解像度ADCを用いたミリ波・大規模MIMO信号検出の実現を目的とし、確率伝搬法 (BP: Belief Propagation) を軸に、量子化された受信信号に基づく低処理量かつ高精度な信号分離 (検出) 手法を開発する。
令和2年度では、上記課題を達成する上で障害となる２つの問題に着目し、解決策をそれぞれ検討した。1つ目は、ミリ波MIMO通信路で想定される強力なフェージング空間相関の悪影響であり、これに対して、受信機側でのフルデジタルビームフォーミングを前提としたビーム領域における部分空間周辺化を提案した。2つ目は、低解像度ADCがもたらす非線形歪みの悪影響であり、これに対して、Bussgang分解を用いた量子化信号の線形表現に基づくBP検出器を提案した。計算機シミュレーションを通して、各提案法の有効性を確認できており、研究課題を解決するための基礎理論 (数学背景とアルゴリズムの基本格子) の構築を完了することができた。
付随する研究成果として、ミリ波通信で想定される高レベルの位相雑音を考慮した信号検出器の設計や、BPに基づく大規模MIMO通信路とデータ検出の同時推定についても検討を行い、計算機シミュレーションを通して有効性を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和2年度の研究計画はおおむね順調に進展している。研究実績の概要で述べた通り、研究課題を達成する上で障害となる個々の問題解決については十分に進展があり、シミュレーションによる評価結果も非常に良好である。初期検討の成果の一部は国内学会での発表も行っており、次年度に向けて国外発表と論文化の準備を進めている。すべての項目が当初の研究計画のスケジュール通りに遂行されており、次年度に予定している提案アルゴリズムの発展や通信路推定と併せた評価についても目途が立っている。最終年度の総合評価に向けて、引き続き検討を進めていく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の研究計画に従い、低解像度ADCがもたらす非線形歪みを補償するアルゴリズムのさらなる発展と、ビーム領域通信路推定を考慮した評価を実施する。本研究課題の理論的な枠組みやアルゴリズムの基本格子の構築、および基礎検討での有効性の確認は完了している。初年度でミリ波・大規模MIMO信号検出の実現可能性を示すことができた。
次年度では、繰り返し信号検出の中で量子化雑音の推定部を導入することで、さらなる特性改善を図る。また、ビーム領域通信路におけるスパース性を考慮した通信路推定手法の確立と、その際に後段の信号検出器へ入力する推定誤差共分散の計算手法についても検討を行う。最終年度の総合評価に向けて、各提案法を統合した際のアルゴリズム挙動の解析・評価も順次進める予定である。
付随する研究として、高周波数帯におけるMIMO通信を想定した位相雑音補償技術や有相関通信路とデータの同時推定手法についても引き続き検討を進める。
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| Causes of Carryover |
コロナウィルスの感染拡大により、当初予定していたUniversity of Oulu (フィンランド) やJacobs University (ドイツ) との共同研究が次年度に延期された。都市のロックダウンなどにより、一時はオンラインでのミーティングも困難な状況であった。ただし、研究実績の概要や進捗状況で述べた通り、研究課題の開始初年度で基礎理論の検討が中心であったことも幸いし、独自に研究を進めることで計画の遅れは発生しなかった。また、現在は定期的なオンラインミーティングで意見交換しており、研究計画全体に対する影響も軽微であると考えている。
国内外での発表もすべて延期またはオンライン開催となったため、出張もすべてキャンセルとなり旅費を一切使うことがなかった。これを受けて、研究室の計算機資源が多少充実したこともあり、備品の購入は次年度以降、共同研究者との議論を深めた上で、総合評価へ向けた検討を開始してからの方が良いと判断した。その結果、当初予定していた物品費と旅費、外部発表用のその他費用がそのまま次年度に持ち越されることとなった。今後の感染状況を予想することは難しいが、共同ミーティングや外部発表も次年度以降に行うことを検討しており、上述の通り、どのような状況になっても研究計画を進められるよう調整・準備している。
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